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PREDICCIÓN DEL ACABADO SUPERFICIAL DE PIEZAS DE ACEROTORNEADAS EN FUNCIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DELMA TERIAL Y DE LAS CONDICIONES DE CORTE

Cassier, Z; Muñoz-Escalona ,P; Castellanos, C; Payares, M. C.

Universidad Simón Bolívar, Departamento de MecánicaApdo. 89000, Caracas 1080 A, Venezuela.

RESUMEN

La calidad, confiabilidad y desempeño en servicio requerido de un componente mecanizadodependen significativamente del acabado superficial resultante del proceso de fabricación. Laoptimización de las condiciones de mecanizado es necesaria para obtener piezas de la mejor calidadal menor costo de producción.

El presente trabajo presenta el desarrollo de un modelo de rugosidad para el torneado de unacero SAE-AISI 4140, en diferentes condiciones de Dureza, usando herramientas de carburorecubierto, sin fluido de corte, ycon Profundidad de Corte constante. El modelo se desarrolló en basea los parámetros del mecanizado y a las propiedades mecánicas del material de trabajo. El efecto deestos factores se investigó usando la Metodología de las Superficies de Respuesta, obteniéndose unmodelo polinómico de primer grado de la rugosidad en función de las variables propuestas.

ABSTRACT

The quality and confiability of parts depends on the surface roughness obtained from anspecific process. In order to obtain pieces with excellent surface finish is necessary to optimize themachining conditions.

This research develops a mathematical roughness model for tuming a SAE-AISI 4140 steelunder different hardness conditions, using tools of tungsten carbide, dry cut and constant depth ofcut. The mathematical model was developed based on the cutting parameters and mechanicalproperties of the working material. The effect on these factors was investigated using ResponseSurface Methodology, to obtain a polynomial model of roughness as a function of the suggestedvariables.

INTRODUCCIÓN.

La resistencia real de las partesmecánicas resulta ser considerablementemenor que la resistencia estática aparentedel material. Los estudios experimentalesllevados a cabo sobre esta condición,muestran que la magnitud de estadesviación de la resistencia disponiblerespecto de la resistencia estática depende

marcadamente de la naturaleza delproceso utilizado para generar lasuperficie, así como de la metalurgiamecánica y física del material detrabajo[ 1]. Las condiciones de estasuperficie tendrán una marcada influenciaen la resistencia a la fatiga de dicha parte yen el agrietamiento inducido porcorrosión, comprometiendo el conceptotradicional de resistencia.

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El efecto de la velocidad de cortesobre la rugosidad superficial ha sidoestudiado, entre otros, por Chandiramaniy Cook [2] y Shouckry [3]. Los primerosinvestigadores mencionados dedujeronque a bajas velocidades de corte la rupturadel material y la formación de virutadiscontinua producen un aumento delvalor de rugosidad superficial.Petropoulos [4] estudió el efecto delavance y del radio de punta de laherramienta en la rugosidad superficial,encontrando que ambos factores ejercenuna gran influencia en ésta última.Modelos matemáticos exponenciales querelacionan la rugosidad con la velocidadde corte, el avance, el radio de punta de laherramienta y la dureza del material detrabajo fueron desarrollados porBhattacharyya et al. [5], en base a pruebasde mecanizado realizadas por Olsen [6] enel acero SAE-AISI f045 En el trabajocitado, Olsen relacionó la rugosidad con elavance y con la velocidad de corte, através de ecuaciones exponenciales;adicionalmente, propuso . curvas decorrección de la rugosidad para diferentesradios de punta y diferentes durezas delmaterial de trabajo. Las ecuacionesdesarrolladas por Bhattacharyya et al. [5]fueron usadas posteriormente porMalakooti y' Deviprasad [7] en laselección de condiciones de corte.

La relación entre la rugosidad dela pieza torneada y la dureza del materialde trabajo fue reportada por Albrecht [8],para una condición específica demecanizado.

La Metodología de Superficiesde Respuesta (MSR), es una recolecciónde técnicas matemáticas y estadísticasusadas para analizar problemas en loscuales variables independientes influyensobre una variable o respuestadependiente. El Baradie [9] desarrolló un

modelo para el estudio de la Rugosidadsuperficial del hierro gris (154 BHN)usando la MSR.

En el presente trabajo se estudia,además del efecto de los parámetros decorte, la influencia de la dureza delmaterial de trabajo sobre la rugosidadsuperficial de un acero endurecible SAE-AISI4140.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se utilizó un diseño experimentalfactorial de tres niveles, escogiéndose lasvariables independientes mostradas en laTabla 1. El número total de experienciasde mecanizado fue 135, incluyendo loscinco niveles de la variable dureza delmaterial de trabajo. Las experienciasfueron ejecutadas siguiendo un ordenaleatorio. Todas las experiencias fueronrealizadas al seco, con una profundidad decorte constante e igual a 0,25 mm. Paralas experiencias de mecanizado se utilizóun torno de control numérico marcaLeBlond IV y como herramientas decorte, se utilizaron herramientas' decarburo recubierto, marca Widia, CalidadISO P20-P40, con tres (3) tipos de radiode punta, DNMG 150604, DNMG150608 y DNMG 150612.

Tabla 1 Niveles de variables independientes

Factor Bajo Central Alto

Velocidad (m/min.) 40 80 120Avance (mmJrev) 0,10 0,20 0,30Radio de punta (mm) 0,4 0,8 1,2

Las barras de acero SAE-AISI4140, cortadas en probetas de 300 rnm delargo y 51 rnm de diámetro, con unadureza inicial de 265 BHN, fueronsometidas a un tratamiento térmico de

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temple (austenizadas a 850°C por unahora y enfriadas en aceite con agitaciónmoderada). Posteriormente las barras serevinieron por una hora a distintastemperaturas, según lo indicado en laTabla 2, lográndose las diferentes durezasseñaladas.

Tabla 2. Temperaturas de revenido ydurezas obtenidas.

Muestra 1 2 3 4 5. .

Temperatura 200 384 530 680 -°e

Dureza Brinell 496 432 398 362 265(BHN)

Después de ser revenidas, lasbarras fueron cilindradas reduciendo sudiámetro hasta 48 rnm, para eliminar losefectos superficiales provocados por eltratamiento térmico. Se realizaron lasexperiencias de mecanizado porduplicado, para una mayor confiabilidadde los resultados.

La rugosidad media (Ra) semidió con un rugosímetro Mitutoyo,modelo 211, con un valor de longitud derecorrido o "cutt-off" de 0,25 rnm. Serealizaron seis mediciones en cada bancode prueba para reportar el valor de lavariable dependiente. (Ra).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En las Figuras 1 y 2 se muestranla variación de la variable dependienterugosidad superficial en función de lasvariables independientes utilizadas.

En la Figura 1.a. y 1.b. se muestran lassuperficies de respuestas obtenidas, dondese observan la influencia simultánea de lasvariables velocidad de corte y avancesobre el acabado superficial, para doscondiciones de dureza del material detrabajo y radio de punta de la herramienta .En todos los casos, se observó elcomportamiento esperado de mejora delacabado superficial con un aumento en elvalor de la velocidad de corte y unadisminución del avance de la herramienta.

8 HB=496r=O.4mm

7

6

5Ra, J.l -n

3

120

f. mmlrev 0.1 40 V, mlmin

Figura 1.a. Superficie de respuesta de larugosidad como función de la velocidad de corte ydel avance para un acero AISI 4140 con durezaBrinelll, HBN = 496 YTorneado con un radio depunta, r=0.4 mm

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8 HB= 432r=1,2mm

7

6

5

Ra, J.L m 4

3

2

0.3 120

·t, mm/rev 0.1 40 V, m/min

Figura 1.b. Superficie de respuesta de la rugosidad como función de la velocidad de corte y del avance paraun acero AISI 4140 con dureza Brinelll, HBN = 432 YTomeado con un radio de punta, r=1.2 mm

En la Figura 2. se refleja la variación de la rugosidad superficial en función de ladureza del material de trabajo, para un valor de radio de punta de la herramienta, velocidadde corte y avance de la herramienta específico.

3.6

3.5

3.4

E 3.3'S§. 3.2

ti3.1IX!

3

2.9

<,<.<,r-.

<,r-, -.<,r-.

~2.8240 280 320 360 400

DUREZA, HB

440 480 520

Figura 2. Relación entre la rugosidad media y la dureza del material de trabajopara el acero AISI 4140 en sus diversas condiciones metalúrgicas.Condiciones del corte: V = 80 m/min; f= 0.2 mm/rev; r = 0.8 mm;d = 0.25 mm.

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Tal como era de esperarse, seobservan valores menores de rugosidadpara valores de radio de punta mayores yavance de la herramienta pequeños.

En la Figura 2. se puedeobservar, en mayor detalle, que elaumento en el valor de dureza del materialde trabajo se refleja en una mejora delacabado superficial obtenido.

Los resultados obtenidos fueronutilizados para establecer una expresiónmatemática que permita la predicción delvalor de rugosidad superficial media Ra(11m), en función de las variablesdependientes utilizadas. Se utilizóregresión lineal múltiple para estimar pormínimos cuadrados los coeficientes deregresión del modelo matemático. Elmodelo de partida lo constituyó elpolinomio completo de segundo grado encuatro variables (V, f, r y BHN), el cualincluye los términos lineales, loscuadráticos y los de interacción. Estemodelo inicial se refinó tomando comocriterio la optimización del coeficiente dedeterminación múltiple (R2). El ajuste seevaluó en base al análisis de residuoscuidando además de mantener cercano~los valores de R2 Y del coeficiente dedeterminación múltiple ajustado (R2

. )adjust '

para evitar la inclusión de términosinnecesarios en el modelo.

El modelo inicial se refinó hasta obtener elsiguiente modelo polinómico de primergrado:

Ra= - 0,046*V + 30,0637*f+ 1,1780* r- 0,0164*BHN - 17,0415* f* r (1)

R2= 0,968R= 0,984R2

adjust= 0,966

donde: Ra: Rugosidad media [um]V: Velocidad de Corte [mlmin]f: Avance de la herramienta

[mmlrev]r: Radio de punta de la

herramienta [mm].HBN: Dureza del material de

trabajo

La ecuación (1), obtenida en lapresente investigación, fue construida apartir de las pruebas de mecanizadorealizadas, incluyendo la variación delvalor de dureza del material de trabajocomo parte del diseño experimentalempleado.

CONCLUSIONES

• La ecuación [1] logra predecir el valorde la rugosidad media de superficiestomeadas de acero endurecible AlSI4140 en función de las variables develocidad de corte, avance y radio depunta de la herramienta y el valor dedureza del material de trabajo, para losrangos de las variables utilizadas.

• Se definieron las diferentes superficiesde respuestas (MSR) para las variablesdependientes de velocidad de corte yavance de la herramienta en larugosidad superficial, para distintascombinaciones de valores de radio depunta de herramientas y dureza delmaterial de trabajo

• En todos los casos, se ratificó el efectode mejora del Acabado Superficial conun aumento del valor de la Velocidadde corte, del Radio de punta de laherramienta y de la Dureza del materialde trabajo y un aumento de laRugosidad con un incremento en elvalor del Avance de la herramienta.

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REFERENCIAS

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4. Petropoulos, P. G, The Effect of FeedRate and Tool Nose Radius on theRoughness of Oblique Finish TurnedSurfaces, Wear, (23), 299 (1973)

5. Bhattacharyya, A., Faría-González, R.y Ham, l., Regression Analysis forPredicting Surface Finish and itsApplications in the Deterrnination of

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6. Olsen, K. F., Surface Roughness as aFunction of Cutting Conditions whenTurning Steel, Machine Tool andProduction Trends, EngineeringProceedings, 1 -43, The PennsylvaniaState University, 149-160. (1965).

7. Malakooti, B y Deviprasad, J., Anlnteractive Multiple Criteria Approachfor Parameter Selection in MetalCutting, Operations Research, 5 (37),(1989).

8. Albrecht, A., How to Secure DesiredSurface Finish in Turning Operations,American Machinist, 133 (Oct. 1956).

9. El Baradie, M. A., Surface RoughnessModel for Turning Grey Cast lron (154BHN), Proceedings of the lnstitutionofMechanical Engineers (part B),(207) 43 (1993)

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